Antimaterie-fremdrivningsmotor omdesignet ved hjælp af CERNs partikelfysiksimuleringsværktøjssæt

Knus en klump stof til antistof, og det vil frigive tusind gange mere energi end den samme masse brændstof i en atomfissionsreaktor og omkring 2 milliarder gange mere end at forbrænde tilsvarende i kulbrinter.

Så det er ikke underligt, at antistof er drømmebrændstoffet for science fiction-fans.

Problemet er selvfølgelig, at der er ret mangel på antistof, hvilket gør udsigten til nogensinde at bygge en raket baseret på denne teknologi noget fjern.

Men fra tid til anden lægger fysikere disse bekymringer til side og har det lidt sjovt med at finde ud af, hvor gode antistof raketmotorer kan være. I dag er det turen til Ronan Keane ved Western Reserve Academy og Wei-Ming Zhang ved Kent State University, begge i Ohio, som tager en ny tilgang til problemet med nogle interessante resultater.

Først noget grundlæggende raketvidenskab. En rakets maksimale hastighed afhænger af dens udstødningshastighed, den del af massen, der er afsat til brændstof og konfigurationen af ​​rakettrinene. De to sidstnævnte faktorer afhænger stærkt af fine detaljer om teknik og konstruktion, og når man overvejer rumfremdrift i en fjern fremtid, synes det passende at udsætte undersøgelsen af ​​sådanne detaljer, siger Keane og Zhang.

Så disse fyre fokuserer på udstødningshastigheden - hastigheden af ​​de partikler, der produceres i stof-antistof-udslettelse, når de forlader raketmotoren.

Drivkraften fra disse udslettelse kommer i vid udstrækning fra at bruge et magnetfelt til at afbøje ladede partikler skabt i udslettelse. Disse fyre fokuserer på udslettelse af protoner og antiprotoner for at producere ladede pioner.

Så en vigtig faktor er, hvor effektivt magnetfeltet kan kanalisere disse partikler ud af dysen.

Faktisk afhænger disse pioners udstødningshastighed af to faktorer - deres gennemsnitlige begyndelseshastighed, når de skabes, og effektiviteten af ​​det magnetiske dysedesign.

Tidligere har forskellige fysikere beregnet, at pionerne skulle bevæge sig med over 90 procent af lysets hastighed, men at dysen kun ville være 36 procent effektiv. Det udmønter sig i en gennemsnitlig udstødningshastighed på kun en tredjedel af lyshastigheden, knap relativistisk og noget af en skuffelse for antistof-fremdriftsfans.

Alt det skal dog ændre sig nu. Keane og Zhang er kommet frem til et andet sæt figurer ved hjælp af software udviklet af CERN, der simulerer samspillet mellem partikler, stof og felter af forskellig art.

CERN bruger denne software, kaldet GEANT4 (forkortelse for Geometry and Tracking 4), for bedre at forstå, hvordan partikler opfører sig ved Large Hadron Collider, som selv kolliderer med stråler af protoner og antiprotoner. Så det er ideelt egnet til Keane og Zhangs opgave.

Det nye værk producerer nogle gode nyheder og nogle dårlige nyheder. Først det dårlige. De nye simuleringer indikerer, at pioner produceret på denne måde vil være betydeligt langsommere end hidtil antaget, idet de kun rejser med 80 procent af lyshastigheden.

Den gode nyhed er, at GEANT4-simuleringerne indikerer, at en magnetisk dyse kan være meget mere effektiv end tidligere forudset og nå 85 procent effektivitet. Det svarer til en gennemsnitlig udstødningshastighed på omkring 70 procent lyshastighed. Det er meget mere lovende. Ægte relativistiske hastigheder bliver igen en mulighed, siger Keane og Zhang.

Disse fyre har endnu en overraskelse i ærmet. Deres dyse har en magnetisk feltstyrke på omkring 12 Tesla. Et sådant felt kunne fremstilles med nutidens teknologi, hvorimod tidligere dysedesign forventede og krævede store fremskridt på dette område, siger de.

Det vil bringe et smil frem hos mange science fiction-fans.

Der er selvfølgelig det lille problem med at samle nok antistof til en rejse af enhver anstændig længde. Antallet af antiatomer lavet på CERN er lille nok til at kunne tælles. Med et skøn vil det med denne hastighed tage tusind år at lave et enkelt mikrogram antistof.

Keane og Zhang påpeger, at alle tidligere estimater går forud for PAMELA-rumfartøjets opdagelse sidste år, at Jorden er omgivet af en ring af antiprotoner, og antyder, at dette kunne udvinde brændstof. Hvad de imidlertid ikke nævner, er, at PAMELA kun opdagede 28 antiprotoner på to år - langt mindre end den hastighed, hvormed CERN fremstiller dem på daglig basis.

Keane og Zhang slutter af med at bemærke, at andre brændstofteknologier har udviklet sig med en eksponentiel hastighed, f.eks. produktion af flydende brint. Hvis antistoffremstillingen viser sig at følge en lignende bane, hvem ved, hvad der kan ske.

Interessant, underholdende og vildt ambitiøst – alt sammen god fornøjelse.

Ref: arxiv.org/abs/1205.2281 : Beamed Core Antimatter Propulsion: Motordesign og optimering

skjule